Efeito da modificação térmica em escala industrial na qualidade da madeira de Tectona grandis Linn. F.

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE CIÊNCIAS RURAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA FLORESTAL. Walmir Marques de Menezes. EFEITO DA MODIFICAÇÃO TÉRMICA EM ESCALA INDUSTRIAL NA QUALIDADE DA MADEIRA DE Tectona grandis Linn. F.. Santa Maria, RS, Brasil 2017.

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(3) Walmir Marques de Menezes. EFEITO DA MODIFICAÇÃO TÉRMICA EM ESCALA INDUSTRIAL NA QUALIDADE DA MADEIRA DE Tectona grandis Linn. F.. Tese apresentada ao Curso de Pós-graduação em Engenharia Florestal, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS) como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Florestal.. Orientador Prof. Dr. Elio José Santini. Santa Maria, RS 2017.

(4) 2017 Todos os direitos autorais reservados a Walmir Marques de Menezes. A reprodução de partes ou do todo deste trabalho só poderá ser feita mediante citação da fonte..

(5) Walmir Marques de Menezes. Efeito da modificação térmica em escala industrial na qualidade da madeira de Tectona grandis Linn. F.. Tese apresentada ao Curso de Pós-graduação em Engenharia Florestal, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS) como requisito parcial para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Florestal.. Aprovado em 23 de fevereiro de 2017:. ____________________________________ Elio José Santini, Dr. (UFSM) (Presidente/Orientador) ____________________________________ Cristiane Pedrazzi, Drª. (UFSM) ____________________________________ Karina Soares Modes, Drª. (UFSC) ____________________________________ Magnos Alan Vivian, Dr. (UFSC) ____________________________________ Rafael Beltrame, Dr. (UFPel). Santa Maria, RS 2017.

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(7) AGRADECIMENTOS Agradeço a todos que, de alguma forma contribuíram para a conclusão desta pesquisa, e de maneira especial agradeço: - Há Deus por me conceber conhecimento, caráter, sabedoria e força nesta trajetória; - A minha esposa pela compreensão e carinho, aos meus pais e irmãs pela amizade, forças, afeto e apoio, demonstrando a verdadeira base familiar; - Ao meu Orientador professor Dr. Elio José Santini, pela confiança, amizade, conhecimento, aprendizado e orientação nesse tempo de convívio; - Ao professor Dr. Djeison Cesar Batista da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), que dispôs do seu tempo para me auxiliar nessa pesquisa; - A todos os funcionários da Empresa TWBrazil, e em especial ao seu Leonardo Puppi Bernardi que abriu as portas para que essa pesquisa pudesse ser concluída; - Ao professor Dr. Rafael Beltrame e ao curso de Eng. Industrial Madereira da UFPel pelo auxilio nos ensaios mecânicos e de fungos decompositores; - A professora Drª. Cristiane Pedrazzi pela disponibilidade do laboratório de químicas da madeira (LAQUIM) da Universidade federal de Santa Maria (UFSM), e aos colegas Rodrigo Coldebella e Bruna Mohr pelo auxilio nas análises químicas; - A colega Sabrina Finatto pela amizade e ajuda durante os ensaios de apodrecimento acelerado no laboratório do curso de Engenharia Industrial Madereira da UFPel; - Aos professores doutores membros da banca de defesa da tese, por aceitar fazer parte desse momento de grande importância e, ainda pela disponibilidade e correções desse trabalho; - Aos funcionários do Laboratório de Produtos Florestais da UFSM Nelson, Tarso e Fabiana por toda ajuda no decorrer deste estudo; - A Rone Maria que auxiliou na abertura do doutorado na Tecnologia de Produtos Florestais da UFSM. - Aos colegas do Laboratório de Produtos Florestais da UFSM pelas horas de descontração, amizade, troca de conhecimento e ajuda principalmente nas horas difíceis, em especial a Maiara Talgatti e Roger Ravazzi; - Ao meu grande amigo e colega Joel Telles de Souza, pela amizade, força e ajuda, que iniciou na graduação e se estende até hoje; - À Universidade Federal de Santa Maria, em especial ao Departamento de Ciências Florestais e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal (PPGEF-UFSM), pela oportunidade de realização do curso de doutorado; - A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo auxílio da bolsa de estudo..

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(9) RESUMO. EFEITO DA MODIFICAÇÃO TÉRMICA EM ESCALA INDUSTRIAL NA QUALIDADE DA MADEIRA DE Tectona grandis Linn. F.. AUTOR: WALMIR MARQUES DE MENEZES ORIENTADOR: DR. ELIO JOSÉ SANTINI O processo da modificação térmica da madeira é a aplicação de calor a fim de melhorar a sua qualidade. O objetivo dessa pesquisa foi avaliar o efeito da modificação térmica em escala industrial na qualidade da madeira de Tectona grandis Linn. F. Para isso, foram utilizadas tábuas de aproximadamente 35 x 100 x 2200 mm (espessura, largura e comprimento), separadas e numeradas em classes de qualidade. As tábuas de primeira classe foram aquelas com a maior presença de cerne e livres de defeitos, tais como rachaduras, nós, empenamentos, dentre outros, ao passo que as de segunda classe apresentaram porções maiores de alburno e os defeitos citados anteriormente. Desta forma, foram separados quatro lotes de madeira, em quatro tratamentos sendo o T1 e T2 para a madeira natural de primeira e segunda qualidade respectivamente e, na mesma ordem de qualidade, entretanto modificadas termicamente os tratamentos T3 e T4. As peças originalmente de 2200 mm de comprimento dividiram-se em duas peças de iguais dimensões (1100 mm), sendo uma delas correspondendo à madeira testemunha (T1 e T2), ou seja, a não modificada termicamente, para posterior comparação com a tratada (T3 e T4). A modificação térmica VAP HolzSysteme® foi conduzida de acordo com o programa utilizado pela empresa, em que a temperatura final foi de 160ºC. Posteriormente ao tratamento térmico, a madeira foi testada pelo efeito na composição química; nas propriedades físicas e mecânicas e, por fim, na resistência aos fungos xilófagos. As análises químicas seguiram as metodologias descritas nas normas Technical Association of pulp and Paper Industry - TAPPI (Tappi, 1999), onde foi determinado os teores de extrativos totais, de lignina Klason, de holocelulose, de hemicelulose e de alfa celulose. Para a realização dos ensaios físicos (teor de umidade de equilíbrio, massa específica aparente, inchamento total e anisotropia de inchamento) foram utilizados os procedimentos estabelecidos na norma ASTM D 143-94 (ASTM, 2000). A colorimetria seguiu a norma ASTM D 2244-09a (ASTM, 2009). O teste de flexão estática e compressão paralela as fibras seguiram a norma ASTM D 143-94 (ASTM, 2000). O teste de resistência ao cisalhamento na compressão paralela às fibras na linha de cola foi conforme a norma ASTM D - 905 (ASTM, 2008a) e o percentual de falhas dos corpos de prova, seguiu a norma ASTM D - 3110 (ASTM, 2008 b). A montagem das análises biológicas seguiu a recomendação da norma Europeia EN 113 (1996). O fungo utilizado foi o Ganoderma applanatum (podridão-branca) e a resistência foi avaliada pela norma ASTM D 2017. O teor de extrativos e alfa celulose aumentaram significativamente com a modificação térmica, em contrapartida, a holocelulose e hemicelulose reduziram, e ainda, para esse último, a qualidade da madeira pode ter influenciado. O teor de lignina Klason não foi alterado significativamente pela temperatura e pela qualidade da madeira. O teor de umidade de equilíbrio, a massa específica aparente, o inchamento total e anisotropia de inchamento da madeira diminuíram após o tratamento térmico, devido à perda de massa da hemicelulose e aumento dos extrativos totais. Por conseguinte, elevou-se a estabilidade dimensional da madeira. A colorimetria foi influenciada pela modificação térmica da madeira, por meio do escurecimento e aumento da tonalidade avermelhada. A qualidade da madeira não influenciou nas propriedades físicas, exceto a colorimetria, que foi alterada pela diferença de proporção do alburno e cerne dos corpos de prova. As falhas na madeira causada na resistência do cisalhamento na linha de cola foram satisfatórias. A resistência mecânica de todos os testes foi reduzida pela qualidade da madeira e a modificação térmica, que neste último caso, causou a degradação da hemicelulose. A madeira foi considerada muito resistente, apesar da perda de massa em contato com o fungo ter aumentado na madeira tratada termicamente. Os resultados podem ter sido influenciados pela qualidade da madeira e a degradação da hemiceluose. Conclui-se que de maneira geral, o efeito da modificação térmica na qualidade da madeira foi significativo em todas as propriedades avaliadas (químicas, físicas, mecânicas e biológicas), sendo que, a presença de cerne, alburno tiveram pouca influência. A principal responsável pelas mudanças na madeira após a modificação térmica foi a degradação da hemicelulose.. Palavras-chave: Composição química. Propriedades físicas e mecânicas. Fungos xilófagos..

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(11) ABSTRACT THE EFFECT OF THERMAL MODIFICATION IN INDUSTRIAL SCALE ON WOOD QUALITY OF Tectona grandis Linn. F.. AUTHOR: WALMIR MARQUES DE MENEZES ADVISOR: DR. ELIO JOSÉ SANTINI The process of the thermal modification on wood is the application of heat in order to improve its quality. The objective of this research was to evaluate the effect of the thermal modification in industrial scale on the wood quality of Tectona grandis Linn. F. To this end, boards of approximately 35 x 100 x 2200 mm (thickness, width and length), separated and numbered in quality classes. First-class boards were with the highest presence of core and free of defects, such as cracks, knots, warps, among others, while the second class boards presented larger portions of sapwood and defects mentioned above. In this way, four batches of wood were separated into four treatments, with T1 and T2 being the natural wood of the first and second quality respectively, and in the same order of quality, however, the T3 and T4 treatments were thermally modified. The original pieces of 2200 mm length were divided into two pieces of equal size (1100 mm), one of them corresponding to the wood control (T1 and T2), that is, the non-thermally modified, for later comparison with the treated wood (T3 and T4). The VAP HolzSysteme® thermal modification was conducted according to the program used by the company, where the final temperature was 160 ° C. After the heat treatment, the wood was tested by the quantification of defects; Effect on chemical composition; In the physical and mechanical properties, and, finally, of the resistance to xylophagous fungi. The defects were analyzed by the standard NBR 9487 (ABNT, 1986) through cracks (top and surface) and warping (bending, bending and recessing). In addition, the moisture content was also measured. The chemical analyzes followed the methodologies described in the Technical Association of Pulp and Paper Industry - TAPPI (Tappi, 1999), through the analysis of total extractives, lignin Klason, holocellulose, hemicellulose and alpha cellulose. For the physical tests (equilibrium moisture content, apparent specific mass, total swelling and swelling anisotropy), the procedures established in ASTM D 143-94 (ASTM, 2000) were used. Colorimetry followed ASTM D 2244-09a (ASTM, 2009). The test of static flexion and parallel compression of the fibers followed the standard ASTM D 143-94 (ASTM, 2000). The test of shear strength in parallel compression to the fibers in the glue line was according to ASTM D - 905 (ASTM, 2008a) and the percentage of failure of the specimens, followed the standard ASTM D - 3110 (ASTM, 2008 b). The assembly of the biological analyzes followed the recommendation of the European norm EN 113 (1996). The fungus used was Ganoderma applanatum (white rot) and the resistance was evaluated by the ASTM D 2017 standard. The heat treatment influenced the increase of the moisture content, but this did not interfere with the quality of the wood. The quality of the thermal modification was satisfactory, if evaluated by the defects of cracks and warpage. In addition, the quality of the wood was paramount for the lowest defect rate. The content of extractive and alpha cellulose increased significantly with thermal modification, in contrast, holocellulose and hemicellulose reduced, and still, for the latter, the quality of the wood may have influenced. The Klason lignin content was not significantly altered by temperature or by the quality of the wood. The equilibrium moisture content, apparent specific mass of the wood, total swelling and anisotropy of wood swelling decreased after heat treatment, due to loss of hemicellulose mass and increase of total extractives. Therefore, the dimensional stability of the wood has been increased. The colorimetry was influenced by the thermal modification of the wood, through the darkening and increase of the reddish hue. The quality of the wood did not influence the physical properties, except the colorimetry, which was altered by the difference in the proportion of the sapwood and core of the specimens. The failures in the wood caused by the shear strength in the glue line were satisfactory. The mechanical strength of all tests was reduced by the quality of the wood and the thermal modification, which in the latter case caused hemicellulose degradation. The wood was considered very resistant, although the loss of mass in contact with the fungus increased in the thermally treated wood. The results may have been influenced by the quality of the wood and the degradation of the hemicelluose. It was concluded that, in general, the effect of the thermal modification on the quality of the wood was significant in all evaluated properties (chemical, physical, mechanical and biological), and the presence of heartwood, sapwood had little influence. The main responsible for the changes in the wood after the thermal modification was the degradation of hemicellulose. Key words: Chemical composition. Physical and mechanical properties. Fungi xylophagous..

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(13) LISTA DE FIGURAS. Figura 1.1 - Distribuição natural da teca no continente asiático .............................................. 13 Figura 1.2 - Equipamento utilizado nos processos patenteados da modificação térmica ........ 19 Figura 1.3 - Vista geral do equipamento (A) e equipamento carregado de madeira (B).......... 21 Figura 1.4 - Mudanças dos componentes químicos da madeira causadas pela ação da temperatura ....................................................................................................... 25 Figura 1.5 - Mecanismos de reação da madeira modificada termicamente.............................. 27 Figura 1.6 - Relação sob adsorção e duas condições de dessorção .......................................... 32 Figura 1.7 - Sistema de coordenadas de cores cielab 1976 ...................................................... 35 Figura 1.8 - Representação dos esforços mecânicos ................................................................ 38 Figura 1.9 - Diagrama de tensão pela deformação específica .................................................. 39 Figura 1.10 - Esquema do corte das tábuas para a amostragem ............................................... 44 Figura 1.11 - Componentes do equipamento utilizado no processo de modificação térmica . 45 Figura 1.12 - Visão geral do cilindro utilizado no processo de modificação térmica .............. 46 Figura 1.13 - Programa do processo de modificação térmica VAP HolzSysteme® ................ 46 Figura 1.14 - Esquema da pilha de madeira utilizada na modificação térmica ........................ 47 Figura 1.15 - Gráfico tempo x temperatura do processo de modificação térmica.................... 48 Figura 1.16 - Tábuas tratadas e não tratadas (testemunhas) gradeadas para a secagem........... 50 Figura 2.1 - Amostras de madeira em palito (A), moinho de facas do tipo Willey (B), agitador eletromagnético de peneiras acopladas (C), amostras classificadas (D) ............. 63 Figura 2.2 - Comportamento dos extrativos totais e hemicelulose em relação aos tratamentos da madeira de Tectona grandis................................................................................. 67 Figura 2.3 - Comportamento da holocelulose e hemicelulose na madeira de Tectona grandis ............................................................................................................................. 69 Figura 2.4 - Comportamento da holocelulose, hemicelulose e alfa celulose na madeira de Tectona grandis ................................................................................................... 70 Figura 2.5 - Comportamento da lignina Klason, hemicelulose e extrativos totais na madeira de Tectona grandis ................................................................................................... 72 Figura 3.1 - Colorímetro portátil Konica Minolta, modelo CR-400 (A) e aplicação do teste no corpo de prova (B) ............................................................................................... 80 Figura 3.2 - Máquina universal de ensaios mecânicos submetendo a madeira ao teste de flexão estática (A) e compressão paralela as fibras (B) .................................................. 82 Figura 3.3 - Esquema do corpo de prova para o teste de resistência de cisalhamento na linha de cola83Figura 3.4 - Máquina universal de ensaios mecânicos aplicando o teste de resistência ao cisalhamento na compressão paralela às fibras na linha de cola ... 83.

(14) Figura 3.5 - Comportamento da umidade de equilíbrio em função da alteração dos componentes químicos dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ................................. 86 Figura 3.6 - Comportamento da massa específica aparente e a hemicelulose em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ........................................................ 89 Figura 3.7 - Comportamento do o inchamento volumétrico total, umidade de equilíbrio e a hemicelulose em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ......... 92 Figura 3.8 - Grau de claridade do parâmetro colorimétrico da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos .................................................................................. 95 Figura 3.9 - Coordenada cromática vermelha (a*) do parâmetro colorimétrico da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos .................................................. 96 Figura 3.10 - Aspecto visual da madeira de Tectona grandis avaliados na colorimetria ........ 97 Figura 3.11 - Comportamento dos parâmetros colorimétricos em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ................................................................................ 98 Figura 3.12 - Ângulo de tinta do parâmetro colorimétrico da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos .................................................................................. 99 Figura 3.13 - Comportamento dos parâmetros colorimétricos e os constituintes químicos em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ................................... 100 Figura 3.14 - Módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos .............................................................. 104 Figura 3.15 - Comportamento da resistência a flexão estática, compressão paralela às fibras e os constituintes químicos em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis............................................................................................................... 105 Figura 3.16 - Comportamento da resistência ao cisalhamento e falha na madeira e a hemicelulose em função dos tratamentos na madeira de Tectona grandis ....... 108 Figura 4.1 - Placas de petri com o fungo Gonoderma applanatum em contato com a madeira de Tectona grandis ................................................................................................. 118 Figura 4.2 - Comportamento da perda de massa da madeira de Tectona grandis sobre a ação do fungo Gonoderma applanatum ......................................................................... 122 Figura 4.3 - Aspecto visual dos corpos de prova mais degradados pela ação fúngica .......... 124 Figura 4.4 - Comportamento da perda de massa média causada pela ação fúngica com a química da madeira ......................................................................................................... 125.

(15) LISTA DE TABELAS Tabela 1.1 - Estimativa da produção madeireira potencial de Eucalyptus, Pinus e Teca ........ 15 Tabela 1.2 - Composição química de madeiras de coníferas e folhosas .................................. 22 Tabela 1.3 - Tratamentos utilizados no experimento ............................................................... 44 Tabela 1.4 - Variáveis do processo de modificação térmica .................................................... 49 Tabela 2.1 - Tratamentos utilizados nas análises químicas ...................................................... 64 Tabela 2.2 - Normas e análise para a determinação dos constituintes químicos da madeira ... 64 Tabela 2.3 - Resultados das análises químicas das madeiras de acordo com cada tratamento 65 Tabela 2.4 - Coeficientes de correlação de Pearson entre a composição química da madeira de Tectona grandis ................................................................................................... 73 Tabela 3.1 - Avaliação e equações utilizadas para a determinação das propriedades físicas ... 79 Tabela 3.2 - Ensaio, dimensões dos corpos de prova e velocidade na determinação das propriedades mecânicas ....................................................................................... 81 Tabela 3.3 - Médias da umidade de equilíbrio da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos ........................................................................................................... 85 Tabela 3.4 - Médias da massa especifica aparente da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos .............................................................................................. 87 Tabela 3.5 - Médias do inchamento total e anisotropia de inchamento da madeira de Tectona grandis de acordo com os tratamentos ................................................................ 90 Tabela 3.6 - Coeficientes de correlação de Pearson entre as propriedades avaliadas da madeira de Tectona grandis .............................................................................................. 93 Tabela 3.7 - Médias dos parâmetros colorimétricos avaliados de acordo com cada tratamento ............................................................................................................................. 94 Tabela 3.8 - Médias dos módulos ruptura e elasticidade do teste de flexão estática por tratamento .......................................................................................................... 101 Tabela 3.9 - Médias dos módulos de ruptura e elasticidade do teste de compressão paralela às fibras por tratamento .......................................................................................... 103 Tabela 3.10 - Médias da resistência ao cisalhamento na linha de cola de acordo com cada tratamento .......................................................................................................... 107 Tabela 4.1 - Relação dos tratamentos da madeira de Tectona grandis submetidas ao fungo Ganoderma applanatum .................................................................................... 118 Tabela 4.2 - Classes de resistência a fungos xilófagos ........................................................... 119 Tabela 4.3 - Perda de massa do período da exposição da madeira de Tectona grandis com o fungo Ganoderma applanatum .......................................................................... 120.

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(17) SUMÁRIO 1 APRESENTAÇÃO .............................................................................................................. 11 1.1 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................... 13 1.1.1 Informações da espécie estudada ................................................................................. 13 1.1.1.1 Ocorrência natural e descrição da espécie Tectona grandis Linn. F. ......................... 13 1.1.1.2 Ocorrência no Brasil, características e usos da madeira de teca................................ 14 1.1.2 Processo de modificação térmica.................................................................................. 17 1.1.2.1 O processo de modificação térmica no mundo ............................................................ 17 1.1.2.2 Processo de modificação térmica no Brasil ................................................................. 20 1.1.2.3 Processo VAP HolzSysteme® ....................................................................................... 20 1.1.3 Constituintes químicos da madeira .............................................................................. 21 1.1.3.1 Componentes químicos fundamentais e acidentais da madeira ................................... 21 1.1.3.2 Efeito da modificação térmica nos componentes químicos da madeira ...................... 25 1.1.4 Efeito da modificação térmica nas propriedades físicas e mecânicas da madeira .. 28 1.1.4.1 Propriedades físicas ..................................................................................................... 28 1.1.4.2 Colorimetria ................................................................................................................. 34 1.1.4.3 Propriedades mecânicas............................................................................................... 37 1.1.5 Degradação da madeira por fungos xilófagos ............................................................. 41 1.2 MATERIAL E MÉTODOS GERAIS ................................................................................ 43 1.2.1 Origem do material ....................................................................................................... 43 1.2.2 Amostragem e tratamentos ........................................................................................... 43 1.2.3 Processo de modificação térmica.................................................................................. 44 1.2.4 Modificação térmica da madeira de Tectona grandis pelo processo VAP HolzSysteme® ......................................................................................................................... 47 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 50 2 CAPÍTULO I - ALTERAÇÕES DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA DE Tectona grandis LINN. F. MODIFICADA TERMICAMENTE ........................................ 61 2.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 61 2.2 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................ 62 2.2.1 Amostragem ................................................................................................................... 63 2.2.2 Análises químicas........................................................................................................... 64 2.3 ANÁLISE ESTATÍSTICA ................................................................................................. 64 2.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 65 2.5 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 74 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 74 3 CAPÍTULO II - AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DA MADEIRA DE Tectona grandis LINN. F. MODIFICADA TERMICAMENTE ............ 77 3.1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 78 3.2 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................................ 79 3.2.1 Propriedades físicas ....................................................................................................... 79 3.2.1.1 Determinação da umidade de equilíbrio, massa específica aparente e coeficiente de inchamento total ....................................................................................................................... 79 3.2.1.2 Colorimetria ................................................................................................................. 80 3.2.2 Propriedades mecânicas ................................................................................................ 81 3.2.2.1 Flexão estática e compressão paralela as fibras ......................................................... 81 3.2.2.2 Resistência ao cisalhamento na compressão paralela às fibras na linha de cola ...... 82 3.3 ANÁLISE ESTATÍSTICA ................................................................................................. 84 3.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 84 3.4.1 Propriedades físicas ....................................................................................................... 84.

(18) 3.4.1.1 Umidade de equilíbrio ............................................................................................... 84 3.4.1.2 Massa específica aparente ........................................................................................... 87 3.4.1.3 Inchamento total e anisotropia de inchamento ............................................................ 90 3.4.1.4 Avaliação Colorimétrica .............................................................................................. 94 3.4.2 Propriedades mecânicas ............................................................................................. 101 3.4.2.1 Flexão estática ........................................................................................................... 101 3.4.2.2 Compressão paralela às fibras .................................................................................. 103 3.4.2.3 - Resistência ao cisalhamento na compressão paralela às fibras na linha de cola .. 107 3.5 CONCLUSÕES ............................................................................................................... 109 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 110 4 CAPÍTULO III - CARACTERIZAÇÃO DA RESISTÊNCIA A FUNGOS XILÓFAGOS DA MADEIRA DE Tectona grandis LINN F. MODIFICADA TERMICAMENTE ..... 116 4.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 116 4.2 MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................. 117 4.2.1 O ensaio de apodrecimento acelerado ....................................................................... 117 4.2.2 Avaliação da perda de massa ..................................................................................... 118 4.3 ANÁLISE ESTATÍSTICA .............................................................................................. 119 4.4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................... 120 4.5 CONCLUSÕES ............................................................................................................... 127 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 127 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................... 131 5.1 CONCLUSÕES GERAIS ................................................................................................ 131 5.2 RECOMENDAÇÕES ...................................................................................................... 131.

(19) 11. 1 APRESENTAÇÃO. Popularmente conhecida por teak, teakholz, teck, ou teca, nome comercial em inglês, alemão, francês e português, respectivamente, a Tectona grandis Linn. F., tem se destacado no setor florestal principalmente no mercado externo, em países como Alemanha, Emirados Árabes, Estados Unidos, Japão e Reino Unido, dentre outros (CÁCERES FLORESTAL, 2006). A teca é nativa das florestas tropicais asiática, ocorrendo principalmente na Índia, Burma, Tailândia, Laos, Camboja, Vietnã e Java. A madeira de teca é utilizada mais frequentemente na indústria naval, por possuir uma boa resistência aos efeitos do intemperismo (umidade e calor) e ao ataque de organismos xilófagos (brocas marinhas), sendo importante na indústria moveleira para fabricação de assoalhos, decks, móveis de luxo, lâminas decorativas e construção civil (portas, janelas, lambris, painéis, forros) (PAES et al., 2015). Além disso, a madeira de teca possui boas características estéticas e de acabamento, o que facilita a trabalhabilidade e boa aceitação em marcenarias. No Brasil a teca encontrou condições edafoclimáticas favoráveis para o seu desenvolvimento que, associada a tratamentos silviculturais adequados, contribuíram para reduzir o ciclo de produção de 80 anos, na região de origem, para 25, na região de Cárceres, por exemplo, onde ocorreram os primeiros plantios da espécie (TSUKAMOTO FILHO et al., 2003). De acordo com Tomazello Filho (1987) e Malan (1995), as espécies de rápido crescimento, como a Tectona grandis são formadas por grande proporção de lenho juvenil, o qual é considerado de qualidade inferior à madeira adulta. Além disso, esse volume aumenta consideravelmente nas árvores de desbaste, que muitas vezes são utilizadas em produtos de baixo valor agregado, tais como escoras para a construção civil, moirões e produção de energia (FIGUEIREDO et al., 2005). O lenho juvenil é formado nos primeiros anos na região próxima a medula podendo conter 85% do tronco em uma árvore de 15 anos, e entorno de 10% aos 30 anos (KOGA, 1988). As dimensões celulares, a organização da parede celular e as características físico-químicas da madeira são algumas das variações que ocorrem durante o período juvenil. Outra implicação do lenho juvenil é a produção de madeira com maior proporção de alburno, as quais apresentam características bem diferentes em termos de cor e durabilidade, quando comparadas com peças de madeira de cerne (LOPES, 2014)..

(20) 12. Para o melhor aproveitamento da madeira de teca busca-se melhorar as suas propriedades físicas (estabilidade dimensional), mecânicas, obter melhorias no tocante a baixa resistência da madeira de alburno ao ataque de organismos xilófagos (fungos). Nesse cenário, a modificação térmica na madeira surge como uma opção de tratamento, pois utiliza altas temperaturas em meio a óleos vegetais, gases ou vapor d’ água, sendo, este último, muitas vezes utilizado de forma conjunta ou isolado. A modificação térmica confere benefícios à madeira, aumentando a resistência contra biodegradadores, estabilidade dimensional e ainda alterando a cor da mesma. Apesar de países da União Europeia, Finlândia, Japão e Estados Unidos, entre outros, comercializarem produtos de madeira modificados termicamente, e outros como França, Alemanha, Holanda, possuírem processos patenteados, o Brasil, ainda necessita estudos para que se possa evoluir nessa questão, principalmente em nível industrial (BATISTA, 2012). A maioria dos estudos tem sido realizada em escala laboratorial, que auxilia muito nas pesquisas, mas muitas vezes não condiz com a realidade de produção em grande escala de uma empresa. Nesse contexto, objetiva-se avaliar o efeito da modificação térmica em escala industrial na qualidade da madeira de Tectona grandis Linn. F. No que se refere a analisar os efeitos na composição química; na resistência físico-mecânica e na resistência a decomposição por fungo na madeira. O tratamento térmico empregado nesta pesquisa, é conhecido no Brasil como modificação térmica VAP HolzSysteme®, e já foi pesquisado por Rilling (2010) e Batista (2012) e utilizado pela empresa TWBrazil, a qual forneceu subsidio para este estudo, em escala industrial.. Para a melhor compreensão a pesquisa dividiu-se em três capítulos:. Capítulo I - Alterações da composição química da madeira de Tectona grandis Linn. F. modificada termicamente;. Capítulo II - Avaliação das propriedades físicas e mecânica da madeira de Tectona grandis Linn. F. modificada termicamente;. Capítulo III - Caracterização da resistência a fungos xilófagos da madeira de Tectona grandis Linn. F. modificada termicamente..

(21) 13. 1.1 REFERENCIAL TEÓRICO. 1.1.1 Informações da espécie estudada. 1.1.1.1 Ocorrência natural e descrição da espécie Tectona grandis Linn. F.. A teca pertence à família Lamiaceae, que é composta pelas espécies Tectona grandis L. f.; Tectona hamiltoniana Wall.; Tectona theka Lour; Tectona ternifolia Buch. - Ham. ex Wall.; e Tectona philippinensis Benth. & Hook. (TROPICOS, 2013). De todas as espécies a única que se destacou no cenário mundial foi a Tectona grandis, principalmente para fins nobres, devido as boas características físico-mecânicas de sua madeira (CRUZ, 2005; COSTA et al., 2007). De acordo com Tewari (1999), a espécie Tectona grandis Linn. F., deriva da união do grego e latim que significam carpinteiro e nobre, respectivamente, pois era muito utilizada pelos carpinteiros. A Tectona grandis Linn. F., conhecida popularmente como teca, é uma árvore nativa das florestas tropicais do subcontinente índico e no do Sudeste Asiático mais precisamente na Índia, Mianmar, Tailândia e Laos (Figura 1.1). Abrange os paralelos de 09ºN e 25ºN, compreendendo regiões posicionadas desde o nível do mar até acima de mil metros de altitude, sujeita a precipitações anuais entre 500 e 5000 mm e a temperaturas absolutas mínimas de 2ºC e a máxima cerca de 48ºC (CÁCERES FLORESTAL, 2006). Figura 1.1 - Distribuição natural da teca no continente asiático. Fonte: adaptado de Kaosa-Ard (1981) e Tanaka et al. (1998)..

(22) 14. Os solos mais indicados para o desenvolvimento da teca são preferencialmente os de textura francoarensos a argilosos, profundos, de boa drenagem, com terrenos planos ou pouca inclinação, e férteis, apesar de se desenvolver em grande variedade de solos e formações rochosas (MONTERO et al., 2001; OMBINA, 2008; TONINI et al., 2009). A teca é uma árvore de grande porte, podendo alcançar um metro de diâmetro a altura do peito (DAP) e mais de 35 metros de altura. Normalmente apresenta o tronco retilíneo, de seção circular e reduzida conicidade, com casca com pequenas fissuras, de cor cinza ou marrom, áspera, variando entre 12 e 15 mm de espessura, que se desprende em placas e possui boa resistência ao fogo (CHAVES; FONSECA, 1991; CÁCERES FLORESTAL, 2006; PELISSARI, 2012). As folhas da teca possuem um alto grau de deciduidade, ou seja, caem por ocasião da estação seca. Além disso, são opostas, elípticas, coriáceas, pecíolos curtos ou ausentes, e ápice e bases agudas. De acordo com Figueiredo et al. (2005a); e Costa et al. (2007), as folhas nos indivíduos adultos podem chegar em média 30 a 40 cm de comprimento por 25 cm de largura, entretanto nos indivíduos mais jovens, com até três anos de idade, as folhas podem alcançar o dobro desses tamanhos. O conjunto de flores da teca têm o formato de panícula, composta por cachos de flores pequenas na cor branca, podendo chegar aos milhares. Apesar da grande quantidade de flores, apenas 2% se desenvolve em frutos. Esse contém uma estrutura esférica de 5 a 20 mm de diâmetro, envolto por uma membrana fina, do tipo drupa subglobosa e tetralocular, podendo conter raramente até quatro sementes pequenas com 5 a 6 mm de comprimento e oleaginosas por lóculo (CALDEIRA et al., 2000; BEZERRA, 2009). As raízes são compostas por raízes laterais e uma principal, pivotante, podendo esta penetrar verticalmente no solo mais de um metro de profundidade (CHAVES; FONSECA, 1991).. 1.1.1.2 Ocorrência no Brasil, características e usos da madeira de teca. O primeiro experimento com Tectona grandis Linn. F. no Brasil foi realizado pelo pesquisador Helladio do Amaral Mello, na Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” ESALQ, localizada no município de Piracicaba/SP (MELLO, 1963). Entretanto, existem relatos que os primeiros exemplares foram plantados no Jardim Botânico do Rio de Janeiro/RJ e no Horto de Rio Claro/SP (FERREIRA, 2008)..

(23) 15. Os autores Tsukamoto Filho et al. (2003), relatam que a espécie de teca foi introduzida no Brasil por volta de 1960 em Cárceres - MT, local que possui características edafoclimáticas semelhantes ao país de origem, além disso estudos da silvicultura aliado aos solos de melhor qualidade, reduziu o ciclo natural de 80 para 25 anos. Atualmente o estado do Mato Grosso é o que possui a maior área plantada dessa espécie. Os espaçamentos mais utilizados no Brasil para a teca são, principalmente, 2 x 2,5 m, 3 x 2 m e 3 x 3 m, tem sido utilizados em sistemas agroflorestais a uma distância de 5 x 5 m (FIGUEIREDO, 2005; FLÓREZ, 2012). O rápido crescimento da teca por meio do incremento médio anual (IMA), variável de acordo com as condições ambientais, têm sido em média, 9 a 10 m³ por hectare ao ano (CHAVES; FONSECA, 1991). No Brasil de acordo com a ABRAF (2013), a teca possui um IMA em média de 15m³/há/ano, com um ciclo da cultura entre 20 a 25 anos. Entretanto, segundo Bufulin (2001), o crescimento é maior, pois o IMA encontrado foi de 12 a 28 m³ e 24 m³ por hectare em Agudos-SP e Cárceres-MT, respectivamente. No estado do Acre os valores de IMA variam de 7,6 e 24,5 m³ por hectare (OLIVEIRA, 2003). A região Centro-Oeste, segundo a ABRAF (2013) produz 0,7 milhões de m³/ano, sendo 67,4% do total plantado, e o Norte (32,6%) produz o restante da teca no Brasil. Segundo o Instituto Matogrossense de Economia Agropecuária (IMEA, 2013), o estado com a maior área de plantio é o Mato Grosso com área plantada de 64.828 ha, distribuída em 42 municípios. Isso ocorre pelo fato das condições do solo e clima favoráveis que a espécie encontra naquelas regiões. Segundo a Indústria Brasileira de Árvores (IBÁ, 2016), a Tectona grandis é a sexta espécie arbórea com maior área plantada no Brasil (87.410 ha), ficando atrás das espécies de eucalipto, pinus, acácia, seringueira e paricá. Entretanto, segundo Figueiredo (2005), nesta mesma classificação é a terceira espécie de folhosa tropical no mundo, apenas atrás dos plantios de eucalipto e acácias (TABELA 1.1).. Tabela 1.1 - Estimativa da produção madeireira potencial de Eucalyptus, Pinus e Teca. Espécie. Área Plantada (ha). Eucalyptus. 5.600.000. Pinus. 1.600.000. Tectona grandis. 87.410. Total. 7.287.410. Fonte: Indústria Brasileira de Árvores (IBÁ, 2016)..

(24) 16. A madeira da teca é muito valorizada no mercado internacional, podendo alcançar preços até três vezes mais alto que do mogno (Swietenia macrophylla King), cujo metro cúbico serrado, como produto final, pode ser comercializado por valores que chegam a US$ 1500,00, já o produto do desbaste inicial é comercializado entre 60 e 80 dólares o metro cúbico (FIGUEREIDO et al., 2005). Estes valores são devidos principalmente pelas suas boas características físicas e mecânicas (MACEDO et al, 2005; LEITE et al., 2006; MOTTA et al. 2013; ARRUDA, 2014). Além dessas características, a cor, o desenho, e a densidade são aspectos qualitativos importantes que tornam a teca uma das madeiras de folhosas mais valorizada no mundo (VIEIRA et al., 2002). A teca, em relação ao mogno, por exemplo, leva vantagem pela rusticidade, rápido crescimento em altura, e excelente forma tronco, sendo este, retilíneo e pouco sujeito a bifurcação. Além do mais, segundo Fonseca (2004), a madeira é considerada de boa trabalhabilidade, fácil colagem, acabamento, furação e pregagem. De acordo com Ângelo et al. (2009), a espécie tem uma ampla utilização: construção de móveis, barcos, molduras, etc. Além disso, a madeira possui boa resistência natural ao ataque de insetos, fungos, pragas e brocas; resistência mecânica; facilidade de secagem; e características de acabamento; o que a torna valorizada no mercado internacional (BERMEJO et al., 2004; MACEDO et al., 2005). A madeira quando recém cortada possui uma cor verde oliva passando para marrom claro quando seca. O alburno e o cerne têm cores bem distintas, sendo o primeiro amarelo esbranquiçado (claro), enquanto segundo é marrom vivo e brilhante (FLÓREZ, 2012). O cerne e o alburno possuem uma substância semelhante a um látex, denominada caucho, que reduz a absorção de água, lubrifica a superfície, confere resistência à ácidos e protege pregos e parafusos de corrosão (ANGELI, 2003). A madeira de teca seca rapidamente e de forma satisfatória naturalmente ao ar, seca em estufas elétricas, mas deve se procurar fazê-lo lentamente para evitar defeitos (WEAVER, 1993)..

(25) 17. 1.1.2 Processo de modificação térmica. 1.1.2.1 O processo de modificação térmica no mundo. O processo de modificação térmica da madeira consiste na aplicação de calor a fim de acrescentar ou melhorar a qualidade da madeira, para tanto, altera a estrutura química da sua parede celular (celulose, hemicelulose e lignina), ou seja, os seus componentes fundamentais (HILL, 2006; IBACH, 2010). Os principais objetivos da modificação são a estabilidade dimensional, resistência à organismos xilófagos, aumento da resistência ao intemperismo e mudança de cor (HILL, 2006; BATISTA, 2012). Segundo Brito (2006), o processo de tratamento térmico da madeira é realizado com altas temperaturas as quais provocam o início da degradação de seus constituintes químicos fundamentais, principalmente as hemiceluloses, que são mais sensíveis aos efeitos do calor, tais temperaturas estariam entre 100 e 250ºC. O processo de modificação térmica é um dos métodos de alteração da madeira pelas altas temperaturas em atmosfera com nitrogênio, vapor e óleo quente (HOMAN et al., 2000). A modificação térmica da madeira tem sido pesquisada desde o começo do século XX, e na Europa já são comercializados produtos de processos patenteados. Um dos primeiros estudos no mundo sobre o efeito da modificação térmica na madeira foi Tiemann em 1915. Naquela ocasião o autor estudou os efeitos do vapor superaquecido a 150ºC durante 4 horas, na madeira, e obteve uma redução na variação de umidade entre 10 e 25%, com uma diminuição na resistência mecânica (BELLON, 2013). Mais adiante, mais precisamente entre as décadas de 30 e 40 os pesquisadores Stamm e Hansen, na Alemanha, e White nos Estados Unidos estudaram esse processo (FINNISH THERMOWOOD ASSOCIATION, 2003). Em seguida, na década de 50 os alemães Bavendam, Runkel e Buro continuaram investigando o assunto. Na década de 60 foi à vez de Kollman e Schneider e na década de 70 Rusche e Burmester. Já na década de 90, os trabalhos de pesquisa foram desempenhados na Filândia, França e Holanda. Em 1996, a instituição, VTT Technical Research Centre of Finland, na Finlândia realizou um estudo mais completo sobre o assunto (FINNISH THERMOWOOD ASSOCIATION, 2003). Porém, somente a partir do ano 2000, com o avanço de tecnologias e maior controle do processo, iniciou-se na Europa a produção em escala industrial, por meio de processos patenteados, inclusive com patentes na Finlândia, França, Holanda e Alemanha. As principais diferenças entre estes tratamentos estão no teor de umidade inicial da madeira, nas temperaturas.

(26) 18. e tempos em que as peças ficam expostas ao oxigênio ou nitrogênio, na presença ou ausência de vapor, no processo seco ou úmido e na utilização de óleos. Em seguida são apresentadas as etapas deste métodos, conforme Nunes, (2009): . PLATO® WOOD: Método Holandês o qual utiliza quatro fases no tratamento térmico. da madeira. A primeira é a Hidrotermólise na qual se aplica temperaturas entre 150-180ºC em condição aquosa sob pressão atmosférica entre 4-5 horas; a segunda fase corresponde a secagem convencional, que varia entre 3 e 5 dias; a terceira é a aplicação do tratamento térmico entre 150-190ºC sob condições secas de 14-16 horas; e por último é feito o condicionamento que dura entre 2-3 dias. . Retifiction® (bois retifié): Neste método, a madeira previamente seca (teor de umidade. 12%), é submetida a temperaturas que variam entre 210 e 240ºC em atmosfera de nitrogênio; . THERMOWOOD®: Este processo apresenta três fases distintas: na primeira fase a. madeira verde é seca a alta temperatura (100-130ºC). Na segunda fase a madeira é exposta a 190 ± 2ºC de temperatura (Madeira Thermo-S) ou 212 ± 2ºC (Madeira Thermo-D) durante 2-4 horas em função da qualidade do produto final. Na última fase é realizado o resfriamento e reumidificação para 4-8%, para estabilização da madeira. A letra “S” no Thermo-S’ indica estabilidade, e a letra “D” no Thermo-D indica durabilidade, sendo estes referentes à propriedade utilizada na classificação dos produtos nesta classe de tratamento; . Oil Heat Treatment-OHT: Processo desenvolvido na Alemanha, no qual a madeira é. imersa em um tanque com óleo em temperaturas entre 180 e 220ºC por 2-4 horas, sem considerar o tempo de aquecimento e resfriamento da madeira. . Bois Perdure: Método Francês semelhante ao anterior, no qual a madeira verde é tratada. (seca) a 230ºC sob vapor gerado pela água contida na própria madeira; Dentre os processos descritos acima o THERMOWOOD® criado pela VTT, é possivelmente o mais bem-sucedido da Europa, pois em aproximadamente 130. 800 m3 de madeira tratada termicamente em 2007, cerca de 50%, foi pelo método THERMOWOOD ®. O maior consumidor desse tipo de madeira é a Europa, aonde foram compradas 92% de todo o material tratado termicamente (ESTEVES e PEREIRA, 2009). Essa técnica tem ganho muito interesse pelos pesquisadores no mundo inteiro, nos últimos anos. Visto que, já são conhecidos os seus benefícios para as propriedades da madeira, tais como redução da higroscopicidade, aumento da estabilidade dimensional e aumento da resistência à biodeterioração por organismos xilófagos, principalmente os fungos (BATISTA, 2012). Segundo o mesmo autor, o interesse científico está relacionado ao aumento do consumo.

(27) 19. e preço da madeira modificada termicamente. Os equipamentos frequentemente utilizados na modificação térmica da madeira são estufas elétricas, muflas e autoclaves adaptadas para cada método. Na Figura 1.2 são demonstrados alguns dos equipamentos utilizados nos métodos patenteados.. Figura 1.2 - Equipamento utilizado nos processos patenteados da modificação térmica. Fonte: Adaptado de Batista, (2012).. A. B. 1. 1. 1. 1. 1. 1. C. D. E. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1 1 1 De acordo com a Figura 1.2 pode-se identificar os equipamentos utilizados no processo ThermoWood ® (A); modelo de câmara do processo Perdure® (B); câmara de secagem utilizada na etapa de “cura” da madeira do processo Plato® (C); reator utilizado para o estágio de termohidrolise do processo Plato® (D); e cilindro utilizado na modificação térmica pelo processo Menz OHT® (E). Esses processos patenteados, assim como qualquer modificação térmica da madeira, causa a redução da resistência mecânica e da higroscopicidade, logo a madeira fica mais estável (estabilidade dimensional), entretanto inviabiliza o uso estrutural do material. Outro aspecto importante é a cor que é alterada deixando a madeira mais escura, e mais resistente a fungos decompositores. Todavia, a vantagem mais importante dos métodos é a sustentabilidade, pois não existe a impregnação de produtos químicos tóxicos (FINNISH THERMOWOOD ASSOCIATION, 2003; ESTEVES; PEREIRA, 2009; HILL, 2006; MENZ HOLZ, 2012; PLATOWOOD, 2012; RETIWOOD, 2012; BELLON, 2013)..

(28) 20. 1.1.2.2 Processo de modificação térmica no Brasil. No Brasil o estudo deste tema é mais recente, tendo alguns resquícios na década de 80, por meio de congressos e revistas cientificas, tendo recebido mais atenção nos últimos anos. Entretanto, a maioria dos trabalhos ainda tem sido realizado em caráter experimental, por meio de laboratório, que sem dúvida, auxilia muito nas pesquisas futuras, mas muitas vezes não demonstra a realidade do processo em nível industrial (BATISTA, 2012). A modificação térmica da madeira, em escala laboratorial, é geralmente realizada pelos pesquisadores em estufa elétrica, aonde a madeira é exposta ao ar aquecido com temperaturas variando entre 100 a 200ºC, em um período que varia de 2 a 24 horas, para que ocorra a degradação dos constituintes químicos da madeira principalmente da hemicelulose (CALONEGO, 2009). Dentre as primeiras pesquisas a nível de pós-graduação no Brasil foram realizadas duas dissertações e uma tese. A primeira dissertação teve como objetivo avaliar as alterações nas propriedades da colagem, cor e envernizamento da madeira de uma folhosa (Eucalyptus saligna) e uma conífera (Pinus caribaea var. hondurensis) (PINCELLI, 1999). Segunda dissertação foi avaliada a resistência da madeira modificada termicamente de Eucalyptus grandis ao ataque de cupim de madeira seca Cryptotermes brevis. Para ambos os processos foram utilizados uma estufa dotada de aquecimento por resistência elétrica e temperatura entre 120 e 200ºC (PESSOA, 2002). Em seguida surgiu a primeira Tese no Brasil com o assunto, em que o objetivo da pesquisa foi homogeneizar a cor da superfície das espécies nativas Simarouba amara, Sextonia rubra e Cariniana micranth. Para isso, foi combinado duas temperaturas (150 e 200°C) e duas durações de ciclo (1 e 2 horas). A aplicação do processo foi por uma estufa com ventilação forçada (GOUVEIA, 2008). No Brasil a primeira informação sobre modificação térmica em escala industrial foi uma monografia, publicada em 2010. O trabalho foi realizado na empresa TWBrazil, localizada em Ponta Grossa, Paraná. A madeira de Tectona grandis foi submetida às temperaturas de 140, 160 e 180°C, determinando-se algumas propriedades físicas e mecânicas (MIRANDA, 2010).. 1.1.2.3 Processo VAP HolzSysteme®. O processo VAP HolzSysteme® aplica vapor saturado a altas temperaturas, na ausência de oxigênio para evitar a queima da madeira. Este processo é realizado no Brasil pela empresa.

(29) 21. TWBrazil, a qual detém os direitos de uso (VAP HolzSysteme®) no país. A empresa utiliza a denominação de Thermally Modified Timber ou TMT para os seus produtos modificados termicamente. O equipamento empregado pela empresa no processo de modificação térmica da madeira está ilustrado na Figura 1.3.. Figura 1.3 - Vista geral do equipamento (A) e equipamento carregado de madeira (B). Fonte: Autor.. A. B. 1. 1. 1. 1. 1 O equipamento é constituído por: cilindro de 125 cm de diâmetro, 850 cm de comprimento, com capacidade nominal de 6 m³ de madeira por ciclo; gerador instantâneo de vapor classe B com capacidade de 216 Kgv/h (caldeira); reservatório de água, controlador lógico programável (CLP), que controla as variáveis do processo; trilhos e vagonete, para abastecimento e descarregamento da madeira. O equipamento é muito semelhante a uma autoclave de preservação da madeira. Atualmente a TWBrazil processa e comercializa madeiras das espécies de Pinus sp., Eucalyptus sp. e Tectona grandis. Além do processo já citado, a empresa preserva a madeira com a aplicação do produto químico Arseniato de Cobre Cromatado (CCA), por meio de autoclaves, no processo de vácuo-pressão. Toda a madeira tratada pela empresa é destinada para a construção civil, linha rural, jardinagem e decoração.. 1.1.3 Constituintes químicos da madeira. 1.1.3.1 Componentes químicos fundamentais e acidentais da madeira.

(30) 22. A madeira é composta por elementos tais como carbono (C), hidrogênio (H), oxigênio (O) e nitrogênio (N) que não diferem significativamente entre espécies. A análise química dos elementos de várias espécies de folhosas e coníferas, é quantificada em relação a massa seca em 6, 44-45, 49-50 e 0,1-1%, H, O, C e N, respectivamente. Além destes, a madeira contém uma pequena quantidade de elementos minerais (cálcio (Ca), potássio (K) e magnésio (K)) que são encontrados nas cinzas da madeira com teores de 0,2 a 1,0% da massa seca (TSOUMIS, 1991). O conhecimento das propriedades químicas de uma madeira é de fundamental importância, pois a quantidade e a variação dos compostos químicos podem influenciar na utilização industrial das espécies. Os constituintes químicos da madeira estão relacionados com suas propriedades física, mecânica e de resistência aos organismos xilófagos. Segundo SEVERO, et al. (2010), o conhecimento da composição química da madeira é importante para definição do uso final deste material. A madeira é formada basicamente por componentes macromoleculares fundamentais (celulose, hemicelulose e lignina) que formam a parede celular, e os componentes estranhos (extrativos e cinzas) ou acidentais. Estes componentes são encontrados em menor quantidade e peso molecular do que os componentes fundamentais (FENGEL; WEGENER, 1989). As substâncias que constituem a parede celular de todas as madeiras, e sua remoção implica a utilização de processos químicos ou mecânicos que alteram as propriedades das células e consequentemente da madeira. Os dois grandes grupos de conífera e folhosas diferem quanto a composição química de quantidade da lignina e hemicelulose, entretanto os constituintes da celulose e extrativos são praticamente a mesma na madeira de ambas as espécies (TABELA 1.2).. Tabela 1.2 - Composição química de madeiras de coníferas e folhosas. CONSTITUINTE Celulose Hemicelulose Lignina Extrativos Fonte: adaptado de Siau, (1995).. CONÍFERAS (%) 40 - 50 20 - 30 25 - 35 0 - 25. FOLHOSAS (%) 40 - 50 25 - 40 20 - 25 0 - 25.

(31) 23. A celulose é o constituinte químico mais abundante na madeira, formada por polissacarídeo que se apresenta como um polímero de cadeia linear composta única e exclusivamente de unidades de ß - D - anidroglicopiranose, que se ligam entre si através dos carbonos 1- 4, formando microfibrilas, na qual regiões altamente ordenadas (cristalinas) que se alternam com regiões menos ordenadas (amorfas) (TSOUMIS, 1991; SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1999). A proporção de regiões amorfas e cristalinas varia consideravelmente de acordo com a origem (espécie, posição na árvore) da amostra de celulose (SJÖSTRÖM, 1993). As microfibrilas constroem fibrilas e estas constroem as fibras celulósicas. Como consequência dessa estrutura fibrosa a celulose possui alta resistência à tração e é insolúvel na maioria dos solventes (SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1999). Segundo Sjöström e Westermark, (1999), a concentração de celulose em coníferas é maior nas camadas S1 e S2 da parede celular, enquanto para folhosas (com base em Betula spp.) está na parte mais interna das camadas S2 e S3 A hemicelulose juntamente com a celulose é conhecida pelo termo holocelulose, com a finalidade de diferenciação dos polissacarídeos da madeira. Estes carboidratos podem ser separados por hidrólise alcalina (hidróxido de sódio a 17,5%), enquanto que a celulose nada sofre (insolúvel), a hemicelulose é extraída (solúvel) (TSOUMIS, 1991). A hemicelulose é um componente químico não definido, pois é formado por polissacarídeos de baixo grau de polimerização médio (200-300), constituídos por diferentes açúcares e ácidos: D-glucose, D-manose, D-galactose, D-xilose, L-arabinose, L-fucose - Ácidos 4-O-metilglucurônico, D-galacturônico e D-glucurônico. (SJÖSTRÖM, 1993; SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1999). Além disso, segundo os mesmos autores, é disposta em cadeias ramificadas e constituem de 20 a 30% da massa seca da madeira e possuem função estrutural na parede celular. Os grupos de conífera e folhosas são formadas por diferentes composição e estrutura das hemiceluloses. Nas coníferas o monossacarídeo em maior concentração é a manose (hexose) e nas folhosas é a xilose (pentose). Além destas, existem diferenças entre as hemiceluloses do tronco, galhos, raízes e casca (TSOUMIS, 1991; SJÖSTRÖM, 1993). A cadeia principal é formada por unidades de β-D-xilopiranose unidas por ligações 1→4 e a maior concentração de xilana encontra-se na camada S1 e na porção mais externa da camada S2 da parede celular. Além da xilana, as folhosas contêm de 2-5% da massa seca de glucomanana, que é composta de unidades de β-D-glucopiranose e β-D-manopiranose unidas por ligações 1→4 (SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1999)..

(32) 24. A lignina não é um carboidrato, sendo de natureza predominantemente aromática (TSOUMIS, 1991). Da mesma forma que os polissacarídeos (celulose e hemicelulose) a lignina é um componente da parede celular que diferencia a madeira dos demais materiais celulósicos produzidos na natureza. A base estrutural da lignina é o fenilpropano, tendo ligado ao anel benzênico um número variável de grupos hidroxílicos e metoxílicos. Esses grupos fazem com que o fenilpropano tome a forma de radicais químicos bem definidos. As principais unidades de fenilpropano que compõem a lignina, a saber são: guaiacilpropano, siringilpropano e p-hidroxifenilpropano. Destas as madeiras de gimnospermas predominam radicais de guaiacilpropano nas angiospermas predominam radicais de siringilpropano (BRUNOW et al.,1998). A determinação da lignina é realizada pelo método gravimétrico. Para isto, a extração utiliza o método clássico de Klason, por meio de amostras de madeira livre de extrativos e tratada inicialmente com solução concentrada de ácido sulfúrico (72%), que posteriormente é diluída e aquecida até ebulição. Dessa forma, a celulose e hemicelulose (polissacarídeos) são hidrolisados e dissolvidos, enquanto a maior porção de lignina permanece na forma de resíduo sólido (SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1999). A quantidade de lignina na madeira varia entre 20 e 33%, de acordo com a espécie. A maior concentração da lignina nas células, devido a sua maior espessura, é encontrada na camada S2 da parede celular secundária, sendo por volta de 70-75% para coníferas e 80% para folhosas (SJÖSTRÖM; WESTERMARK, 1998). O grupo de constituintes da madeira de pequena massa molecular pode ser dividido em substâncias inorgânicas e substâncias orgânicas (FENGEL; WEGENER,1989). Os extrativos são compostos químicos orgânicos formados a partir de graxas, ácidos graxos, álcoois graxos, fenóis, terpenos, esteroides, resinas ácidas, resinas, ceras, e alguns outros tipos de compostos orgânicos. Estes compostos existem na forma de monômeros, dímeros e polímeros. Os extrativos são encontrados no cerne e alguns são responsáveis pelo cheiro, cor, durabilidade natural, diminuição da permeabilidade e higroscopicidade da madeira (WINANDY; ROWELL, 2005). A parede celular não contém extrativos, já que são substâncias predominantemente extracelulares, de baixo peso molecular e que dificilmente atingem 10% da massa seca da madeira (SJÖSTRÖM, 1993). Em situações extremas, podem chegar a 40% da massa seca. Segundo alguns autores, Fengel e Wegener (1989), classificam os extrativos orgânicos em carboidratos, terpenos, esteroides, glicosídeos e substâncias aromáticas, alifáticas e nitrogenadas..

(33) 25. Os extrativos são substâncias que podem ser extraídas em solventes orgânicos neutros, tais como: água, álcool, tolueno, éter e clorofórmio, ou ainda pela volatilização com vapor (SILVÉRIO, 2008). Os minerais formam o grupo das substâncias inorgânicas da madeira e são constituídos por potássio, cálcio, magnésio e silício, por exemplo (FENGEL; WEGENER, 1989). O teor de cinzas, genericamente classificados por causa da sua forma de determinação, raramente é menor que 0,2% ou maior que 1% da massa seca da madeira (TSOUMIS, 1991).. 1.1.3.2 Efeito da modificação térmica nos componentes químicos da madeira. A madeira quando aquecida passa por transformações químicas e físicas. Essas alterações estão ligadas diretamente a mudanças dos principais constituintes químicos da madeira: celulose, hemiceluloses e lignina, que se decompõem em diferentes temperaturas e formas. O diagrama de Sundqvist (2004), exposto na Figura 1.4, possibilita observar a degradação dos principais componentes químicos da madeira úmida pela ação da temperatura.. Figura 1.4 - Mudanças dos componentes químicos da madeira causadas pela ação da temperatura. Fonte: Adaptado de Sundqvist, (2004).. De acordo com, a Figura 1.4 os constituintes químicos da madeira apresentam boa estabilidade quando submetidos a temperatura que não excedam os 100ºC. Entretanto, quando a madeira ultrapassa esta temperatura os extrativos são os primeiros a sofrerem “forte”.

(34) 26. degradação. Em segundo momento a hemicelulose é o primeiro carboidrato a sentir os efeitos das altas temperaturas, sofrendo “forte” degradação em cerca de 150ºC, sendo completamente destruída próximo de 225ºC. A lignina embora comece a degradar antes da celulose, é a mais que mais suporta as altas temperaturas, sendo a última a ser consumida completamente. A celulose degrada completamente em torno de 300ºC. Concomitante à diminuição do teor da hemicelulose a madeira perde extrativos e outras substâncias secundárias, de baixo peso molecular, solúveis em água, oriundas dos outros componentes da madeira. A quantidade destes compostos é dependente da espécie, da temperatura, da taxa de aquecimento e do tempo de exposição da madeira no tratamento (PONCSÁK et al., 2006). A taxa de degradação térmica dos compostos da madeira, considerados isoladamente, varia consideravelmente. Primeiramente degrada as hemiceluloses, seguidas por alfa celulose, e, por último, lignina (STAMM, 1964; ESTEVES et al., 2011, BATISTA 2012). A elevação da temperatura aumenta o teor de lignina de Klason, ou seja, a lignina insolúvel em ácido, foi o que concluíram Repellin e Guyonnet (2005), em estudo utilizando temperaturas de 220ºC por 60 minutos, entretanto para o tempo de 60 e 180 minutos com a temperatura menor (200ºC), o teor de lignina diminuiu, retornando a aumentar em 600 minutos. Os autores Esteves et al. (2008) e Mohareb et al. (2012) com base em seus estudos concluíram que a madeira modificada termicamente possui mais extrativos, mais lignina aparente e menos polissacarídeos do que a original. Entretanto, Mburu et al. (2007), em estudos com a madeira de Grevillea, modificada termicamente entre 240 e 260ºC, encontraram uma redução no teor de extrativos de 5,2 para 1,6%. Além disso, os extrativos foram modificados completamente quanto a sua natureza, ou seja, ocorreram a formação de novos compostos químicos. Segundo Esteves et al. (2011) este aumento seguido de decréscimo, sugere que existe um equilíbrio entre a degradação (compostos originais) e o surgimento (compostos novos) provenientes da degradação da holocelulose e lignina. Dessa forma, o aumento na temperatura do processo de modificação térmica, formará novos compostos que irão degradar-se e volatizarse da madeira, levando ao aumento e a diminuição. A confirmação da variação do teor de extrativos é elucidada pelo estudo de modificação térmica da madeira de Eucalyptus globulus, em que no decorrer do processo ocorre a formação de novos extrativos principalmente derivados da degradação das hemiceluloses e lignina (BATISTA, 2012). A obtenção dos extrativos com os solventes etanol e água aumentaram.